Трилемма блокчейна: возможно ли всё и сразу?

Блокчейн по своей сути является базой данных, которая хранит в себе информацию о транзакциях. Однако, в отличие от обычных баз данных, блокчейн работает автономно и обладает тремя ключевыми свойствами:

• масштабируемость,
• безопасность,
• децентрализация.

Именно эти три свойства и затрагивает известная трилемма* блокчейна.

* Трилемма — это ситуация, при которой из трех взаимосвязанных свойств или целей невозможно одновременно реализовать все три в полной мере; достижение двух из них неизбежно ограничивает третье.

Что такое трилемма блокчейна?

Трилеммой блокчейна описывают проблему, согласно которой проблематично создать одновременно масштабируемые, безопасные и децентрализованные сети. Согласно трилемме блокчейна, приходится жертвовать как минимум одним качеством из трех. Причем чем лучше реализовано одно из свойств, тем хуже будет реализация другого.

Поэтому, например, производительные и безопасные сети, такие как Ethereum или Solana, считаются менее децентрализованными. А децентрализованные и безопасные, такие как Bitcoin и Litecoin, — менее масштабируемыми в соответствии с трилеммой блокчейна.

В основе трилеммы блокчейна лежит теорема CAP, известная также как теорема Бьюера и появившаяся еще в 90-х гг. прошлого века. Согласно теореме Бьюера, при любой реализации распределенных вычислений возможно добиться только двух ключевых свойств из трех: согласованность, доступность и устойчивость данных к фрагментации. Позднее на основе теории CAP разработали ее адаптированную версию для сферы Web3, назвав ее трилеммой блокчейна.

Термин "трилемма блокчейна" популяризовал сооснователь Ethereum Виталик Бутерин. Именно Бутерин предложил одно из первых решений трилеммы блокчейнов, представив производительную блокчейн-сеть на базе смарт-контрактов, способных автономно обрабатывать сделки без вмешательства третьих лиц. Его платформа Ethereum стала основой для создания децентрализованных приложений (dApps). А впоследствии даже стала плацдармом для развития целого сегмента децентрализованных финансов (DeFi).

Ключевые аспекты трилеммы блокчейна

Безопасность

Первым из трех основных свойств трилеммы блокчейна является безопасность децентрализованных сетей, которая обеспечивается алгоритмами шифрования, такими как SHA256 в Bitcoin и Scrypt в Litecoin, а также механизмами консенсуса. В рамках трилеммы блокчейна безопасность определяет, насколько сеть устойчива к внешним и внутренним угрозам, таким как, например, атака 51%.

Децентрализация

Децентрализация является вторым свойством трилеммы блокчейна и предполагает, что не существует какого-либо центрального органа, который контролировал бы публичную сеть.

Высокая децентрализация делает сеть более устойчивой к атакам, однако снижает ее производительность, поскольку узлы затрачивают больше времени на достижение консенсуса по каждой транзакции.

Масштабируемость

Третьей свойство трилеммы блокчейна — масштабируемость, которая определяет пропускную способность децентрализованных сетей. Масштабируемость показывает, какое количество транзакций сеть способна обрабатывать в секунду (TPS).

Сеть биткоина отражает, как высокий уровень безопасности влияет на производительность: блокчейн Bitcoin способен обрабатывать только до 7 транзакций в секунду. Производительность более новых блокчейнов достигает нескольких тысяч TPS:

• Solana — до 65 000;
• Avalanche — до 4500;
• TRON — до 2500 тысяч TPS;
• Сети второго уровня (Arbitrum, Polygon, OP Mainnet и др.) — до нескольких десятков тысяч TPS.

Высокая производительность делает транзакции быстрыми и дешевыми, однако зачастую на практике при этом снижается уровень децентрализации.

Какие решения трилеммы блокчейна существуют на данный момент?

Решения второго уровня и сайдчейны

Одним из решений трилеммы блокчейна стали сети второго уровня, также известные как Layer-2 (L2). Решения второго уровня обрабатывают транзакции за пределами основной сети, таким образом снижая нагрузку на нее и обеспечивая масштабируемость.

Известными примерами решений второго уровня для масштабирования Ethereum являются:

• Mantle;
• Starknet;
• zkSync.

Существуют решения второго уровня и для масштабирования блокчейна Bitcoin, такие как Stacks и платежная сеть Lightning Network. Также для масштабирования биткоина используют независимые сторонние блокчейны или сайдчейны, такие как Rootstock и Liquid Network.

Новые механизмы консенсуса

Пока одни разработчики создают сторонние сети для решения трилеммы блокчейна, другие стремятся сделать это на уровне самого протокола.

Сеть Solana работает на основе механизма Proof-of-History (PoH), что позволяет добиться высокой производительности за счет быстрой синхронизации узлов при сохранении высокого уровня безопасности сети.

Альтернативным вариантом решения трилеммы блокчейна является использование технологии доказательства с нулевым разглашением (Zero Knowledge или ZK-Proof), на основе которых функционируют блокчейны Zcash, Starknet и Mina Protocol. Помимо прочего, такой подход повышает конфиденциальность транзакций.

Другие разработчики для решения трилеммы блокчейна проектируют гибридные сети, сочетающие в себе разные функции. Например, в сети BNB Chain используется механизм Proof-of-Staked Authority (PoSA), за счет чего удается добиться создания новых блоков всего за три секунды.

Шардинг

Еще одним вариантом решения трилеммы блокчейна является шардинг — фрагментация блокчейна на несколько сетей, работающих параллельно друг другу (шардов), каждый из которых отвечает за обработку собственного сегмента транзакций. Такой подход позволяет повысить производительность блокчейна без ущерба децентрализации.

Механизм шардинга реализован в блокчейнах NEAR Protocol и TON, а с 2022 года шардинг был внедрен и в сеть Ethereum, что позволило значительно увеличить ее производительность: с 15 до более чем 200 TPS.

Модульные блокчейны

Модульные сети призваны решить трилемму блокчейна путем повышения производительности без ущерба безопасности и децентрализации. Суть модульного блокчейна заключается в том, что разработчики могут обновлять отдельные элементы протокола, не затрагивая работу всей сети. Однако такой подход создает новые вызовы для обеспечения безопасности сетей.

Примерами модульных сетей, решающих трилемму блокчейна, является Celestia и Validium. Такие сети обладают гибкостью и позволяют распределять задачи по разным уровням блокчейна.